基于星載平臺(tái)的收發(fā)前端組件研制

中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所　張先明　劉秉策

基于星載平臺(tái)的收發(fā)前端組件研制

中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所張先明劉秉策

針對(duì)應(yīng)用于星載平臺(tái)的DBF收發(fā)前端需求，提出了一種收發(fā)前端組件設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)方法、環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)，仿真優(yōu)化了組件性能參數(shù)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)基本吻合。實(shí)測(cè)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的收發(fā)前端組件具有收發(fā)高隔離度、高增益、低噪聲系數(shù)等特性，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。

星載收發(fā)前端；雙工器；低噪聲放大器；可靠性設(shè)計(jì)

0.引言

星載雷達(dá)具有全天候、全天時(shí)的觀測(cè)能力，監(jiān)視范圍大，觀察目標(biāo)種類(lèi)多，能從空中對(duì)海地空目標(biāo)進(jìn)行大范圍高分辨率監(jiān)視偵察跟蹤，完成高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和測(cè)控任務(wù)等特點(diǎn)，因此國(guó)外主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)星載雷達(dá)的研發(fā)非常重視［1］。隨著數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)也廣泛運(yùn)用于星載雷達(dá)，DBF技術(shù)其基本原理是將各天線(xiàn)陣列單元接收到的射頻回波信號(hào)，無(wú)失真地變頻成中頻信號(hào)，再變換成數(shù)字信號(hào)，然后在高速數(shù)字波束形成計(jì)算機(jī)中進(jìn)行加權(quán)和視頻數(shù)字全程處理，以形成所需的靈活、高質(zhì)量接收波束，具有掃描快速靈活，分辨率高，抗干擾和雜波性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)［2］。由于星載雷達(dá)所處空間環(huán)境的特殊性和壽命長(zhǎng)、可靠性高、體積小、重量輕等要求，因此基于星載平臺(tái)的DBF體制收發(fā)前端組件研制需要優(yōu)化性能指標(biāo)的同時(shí)，必須考慮環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的基于星載平臺(tái)的DBF體制收發(fā)前端組件收發(fā)通道同時(shí)工作，采用收發(fā)異頻解決收發(fā)干擾。組件由雙工器模塊和低噪聲放大器模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)前向?qū)Πl(fā)射信號(hào)濾波；返向接收天線(xiàn)回波信號(hào)，同時(shí)低噪聲放大后送入后端的變頻單元，使前、返向接收鏈路共用天線(xiàn)，減少體積、重量。根據(jù)研制要求，基于星載平臺(tái)的收發(fā)前端組件的基本設(shè)計(jì)思路如下：（1）使前向發(fā)射濾波、返向接收鏈路共用天線(xiàn)完成收發(fā)任務(wù)，采用收發(fā)異頻解決收發(fā)干擾，使用雙工器提供收發(fā)信號(hào)充分的頻率抑制與隔離；（2）提高單機(jī)抗干擾的能力，必須提高單機(jī)中濾波器的帶外抑制度，使放大器完全處于線(xiàn)性工作區(qū)域。（3）模塊輸入端、輸出端采用同軸微帶隔離器來(lái)滿(mǎn)足駐波指標(biāo)要求，同時(shí)以實(shí)現(xiàn)電路的良好匹配和防止自激以及通道輸入、輸出保護(hù)。（4）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，通過(guò)熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等滿(mǎn)足星載環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作。

1.收發(fā)前端組件的設(shè)計(jì)

收發(fā)前端組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。考慮星載平臺(tái)對(duì)組件穩(wěn)定性和可靠性的要求，收發(fā)前端組件設(shè)計(jì)由雙工器模塊和低噪聲放大器模塊構(gòu)成。雙工器模塊包含兩路相同的雙工器；低噪聲放大模塊包括兩個(gè)相同低噪聲放大器和電源濾波電路。兩類(lèi)模塊分別含有兩個(gè)通道，共同構(gòu)成單機(jī)的兩個(gè)收發(fā)前端通道，兩個(gè)通道可以互為備份。系統(tǒng)收發(fā)同時(shí)工作，采用收發(fā)異頻解決收發(fā)干擾，發(fā)射通道輸出端需要濾波器，有效控制接收頻段噪聲能量輻射到空間，影響接收靈敏度，同時(shí)接收通道的輸入口設(shè)計(jì)濾波器，控制發(fā)射頻段的信號(hào)進(jìn)入，堵塞接收通道。

雙工放大器模塊具備收發(fā)通道的頻率選擇性，對(duì)收發(fā)具有濾波隔離功能，對(duì)前向發(fā)射信號(hào)濾波抑制與隔離，對(duì)返向鏈路將回波信號(hào)送入低噪聲放大器模塊。低噪聲放大器模塊完成對(duì)雙工器送入的回波信號(hào)低噪聲放大，濾波后再送入前端變頻器。

圖1　收發(fā)前端組件組成框圖

圖2　雙工器電路拓?fù)鋱D

圖3　雙工器收發(fā)傳輸特性曲線(xiàn)

1.1 雙工器設(shè)計(jì)

收發(fā)信號(hào)采用異頻工作，雙工器需要對(duì)前向發(fā)射信號(hào)濾波、接收返向回波天線(xiàn)信號(hào)，提供收發(fā)通道間充分的頻率抑制與隔離，使收發(fā)共用天線(xiàn)。方案中濾波器采用同軸腔諧振器，體積小、重量輕、Q值高，對(duì)雜波有較好的抑制。使用仿真軟件建立雙工器的電路拓?fù)鋱D如圖2所示。

經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化可以得到雙工器收發(fā)頻率的傳輸濾波隔離特性、損耗、駐波特性等，如圖3所示。從圖3（a）可以看出，雙工器發(fā)射時(shí)對(duì)接收頻率f0MHz的抑制為103dB；接收時(shí)對(duì)發(fā)射頻率f1MHz的抑制為107dB；在發(fā)射中心頻率f1±3.2MHz的帶寬內(nèi)，雙工器發(fā)射的損耗最大為0.47dB，帶內(nèi)起伏約為0.03dB；在接收中心頻率f0±3.2MHz的帶寬內(nèi)，雙工器接收的損耗最大為0.51dB，帶內(nèi)起伏約為0.05dB。從圖3（b）可以看出，雙工器的收發(fā)的反射損耗約為-26.9dB，對(duì)應(yīng)的駐波比為1.10。

另外，在溫度變化時(shí)，諧振腔的諧振頻率產(chǎn)生變化，使雙工器性能變差。因此為了克服溫度變化帶來(lái)的不利影響，濾波器中諧振器的內(nèi)導(dǎo)體及調(diào)諧部分采用熱脹系數(shù)小的殷鋼材料，而殼體采用鋁材料，從而使濾波器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，滿(mǎn)足電性能指標(biāo)的同時(shí)，盡可能的減少重量。進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償后，仿真得到諧振器諧振頻率隨溫度變化的溫度系數(shù)約為4ppm/℃，這樣工作環(huán)境溫度變化帶來(lái)的諧振頻率的改變對(duì)濾波器工作通帶的影響基本可以忽略。

1.2低噪聲放大器模塊設(shè)計(jì)

雙工器模塊將天線(xiàn)接收的回波信號(hào)濾波隔離后送入低噪聲放大器模塊，低噪聲放大、濾波后再送入前端變頻器處理。低噪聲放大器的通道級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的公式為［3］：

NFi是接收通道第i級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gi是接收通道中第i級(jí)放大器的增益，因此決定通道噪聲系數(shù)的將是第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)。

為了滿(mǎn)足組件各方面電性能指標(biāo)要求，對(duì)低噪聲放大器單元電路進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真電路拓?fù)鋱D如圖4所示。低噪聲放大器單元包含2個(gè)隔離器，放置于整個(gè)射頻通道的輸入口和輸出口，用于通道輸入、輸出隔離保護(hù)；兩級(jí)低噪聲放大器降低噪聲系數(shù)；使用3dB電阻衰減網(wǎng)絡(luò)器，主要用于級(jí)聯(lián)低噪聲放大器與濾波器間的駐波改善、增加放大器間的隔離；采用兩級(jí)介質(zhì)濾波器，提高單機(jī)抗過(guò)載能力，滿(mǎn)足收發(fā)前端組件指標(biāo)要求。

圖4　低噪聲放大器單元電路拓?fù)鋱D

圖5　低噪聲放大器模塊傳輸特性曲線(xiàn)

經(jīng)過(guò)ADS仿真可以得到低噪聲放大器單元增益、噪聲系數(shù)等特性曲線(xiàn)，分別如圖5所示。從圖5可以看出，低噪聲放大器單元在接收通道頻率f0±3MHz的增益約為40.7dB，帶內(nèi)起伏0.2dB，噪聲系數(shù)小于1.6dB，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。

1.3幅相一致性設(shè)計(jì)

針對(duì)星載平臺(tái)的DBF體制收發(fā)前端設(shè)計(jì)，通道之間幅相一致性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是非常重要的，因?yàn)樗坏绊憯?shù)字波束形成的副瓣電平，還影響到波束指向精度。影響多路收發(fā)前端幅相一致性的因素主要有元器件的離散性、加工、工藝裝配精度的不一致及電路優(yōu)化調(diào)試不一致性等。設(shè)計(jì)中采用了如下措施：提高電路的集成度，減少分離元器件數(shù)量；保證關(guān)鍵器件雙工器和低噪聲放大器單元本身的幅相一致性；微帶介質(zhì)板選用介電常數(shù)一致性較好的同一批次產(chǎn)品；提高數(shù)控加工精度，保證微帶板加工一致性；低噪聲放大器單元內(nèi)兩級(jí)低噪聲放大器之間使用3dB以上衰減器改善駐波比；優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、元器件布局，減少微帶線(xiàn)的彎折、跳變等不連續(xù)性，避免相互影響和微帶傳輸線(xiàn)間的相互耦合；選用加工性能良好的金屬材料作為殼體材料；表貼器件使用回流焊工藝；電裝時(shí)同一器件必須由同一人裝配，避免電裝的不一致性［4］。

2.環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足收發(fā)前端組件在星載環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作，保證環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)的余量，具體措施包括簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、繼承性和“三化”設(shè)計(jì)、元器件選用、冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、余量和降額設(shè)計(jì)和環(huán)境試驗(yàn)等。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常必要的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮滿(mǎn)足電性能要求和結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能滿(mǎn)足星上力學(xué)要求；同時(shí)還要考慮整機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、各電路模塊之間的電磁兼容性、各模塊安裝及電裝散熱特性能、重量以及輸入輸出接口關(guān)系等方面［5］。具體設(shè)計(jì)原則包括：（1）優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計(jì)，縮小體積、減輕重量，滿(mǎn)足衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)設(shè)備的尺寸和重量的苛刻要求；（2）提高設(shè)備結(jié)構(gòu)剛、強(qiáng)度，以達(dá)到承受各種惡劣力學(xué)環(huán)境，特別是發(fā)射階段的沖擊、振動(dòng)等環(huán)境；（3）星內(nèi)電子設(shè)備嚴(yán)格按照航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)型，從力學(xué)加固、熱設(shè)計(jì)、EMC、抗輻射、可靠性、安全性、布局及綜合布線(xiàn)等方面進(jìn)行工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高可靠性。

3.測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

設(shè)計(jì)完成的收發(fā)前端組件外形如圖6所示。

圖6　收發(fā)前端組件外形圖

根據(jù)實(shí)物測(cè)試，收發(fā)前端組件技術(shù)指標(biāo)如：

（1）通道間射頻隔離度：≥70dB；

（2）帶外抑制（發(fā)射、接收）：≥80dB；

（3）接收通道增益：40dB±0.5dB；

（4）噪聲系數(shù)：接收通道噪聲系數(shù)≤1.6dB；

（5）單個(gè)收發(fā)前端組件帶內(nèi)群時(shí)延特性起伏：≤3ns。

收發(fā)前端組件實(shí)物外形圖如圖6所示，根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性和可靠性設(shè)計(jì)原則，滿(mǎn)足單機(jī)的輸入輸出、散熱、安裝空間、屏蔽和防干擾等

要求，收發(fā)前端組件由兩個(gè)獨(dú)立的雙工器模塊、低噪聲放大器模塊通過(guò)立式拼裝組合而成，兩個(gè)模塊之間用螺栓互相連接。單機(jī)通過(guò)每個(gè)模塊的支耳固定在衛(wèi)星上，安裝面也是單機(jī)的導(dǎo)熱面。射頻接口排布在單機(jī)的側(cè)面，低頻接口排布在單機(jī)上面。實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明，兩通道間隔離度大于70dB，收發(fā)通道帶外抑制都大于80dB，接收通道增益40dB±0.5dB，噪聲系數(shù)小于1.6，組件的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足項(xiàng)目指標(biāo)需求，與仿真設(shè)計(jì)基本吻合，達(dá)到仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于星載平臺(tái)的收發(fā)前端組件的組成及工作原理，收發(fā)信號(hào)采用異頻工作，解決收發(fā)干擾，使前向和返向鏈路共用天線(xiàn)完成同時(shí)收發(fā)任務(wù)。給出了設(shè)計(jì)思路，仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)了雙工器模塊和低噪聲放大器單元的性能參數(shù)，指導(dǎo)前端組件設(shè)計(jì)；測(cè)試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)基本一致，滿(mǎn)足項(xiàng)目指標(biāo)需求。本收發(fā)前端組件的成功設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］曹劍，王炳如，王昀，張光義.國(guó)外天基雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子工程師，2005，31（5）：1-4.

［2］梁廣，龔文斌，劉會(huì)杰等.星載多波束發(fā)射陣列天線(xiàn)多通道數(shù)字上變頻設(shè)計(jì)［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，30（06）：2270-2275.

［3］弋穩(wěn).雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

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Design of a Satellite-borne Transceiver Front-End

Zhang xian-ming，Liu Bing-ce
（China Electronics Technology Group Corporation NO.38 Research Institute）

A transceiver front-end of digital beam-forming is presented for the demand of applied in the Satellite-borne environment.The design scheme and realization method are introduced in detail.We designed the simulation and optimization of component performance parameters.The test results showed that the transceiver front-end component has characteristics of high isolation，high gain，low noise figure to meet the requirements.

Transceiver front-end；Duplexer；Low-noise amplifier；Reliability design